一種新型的雙極性Marx高重頻脈衝發生器

隨著脈衝功率技術在生物醫療、食品加工、電磁成形、等離子體研究等領域日益廣泛而深入的應用，脈衝發生器的研製面臨高壓高頻化、雙極性、全固態化等新要求。因此，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網河北省電力有限公司滄州供電分公司、重慶大學電氣工程博士後流動站的研究人員王曉雨、董守龍、馬劍豪、餘亮、姚陳果，在2020年第4期《電工技術學報》上撰文，提出一種新型模塊化的雙極性高壓高頻脈衝發生器的研製策略。

研究結果表明此發生器較好地結合了固態Marx和橋式電路的優點，可根據實際需求，通過量化的多級模塊堆疊實現高壓輸出；並可使用開關的時序邏輯控制實現輸出極性和脈衝寬度靈活調節；同時具有高重頻長壽命。

近年來，隨著脈衝功率技術的快速發展和應用領域的不斷拓寬，脈衝發生器在生物醫學、食品加工、電磁成形、等離子體研究等領域的需求日漸增大。尤其在醫學領域中，高壓脈衝誘導細胞發生不可逆電穿孔從而治療腫瘤的方式已經進入了臨床階段，並展示出良好的治療前景。

但隨著臨床應用的不斷深入，研究人員發現，單極性電脈衝含有較大的直流分量，將導致患者在治療時發生肌肉收縮的現象。這容易引起電極針移位，致使消融精準降低，並且給患者帶來不適甚至疼痛感。根據最新的研究表明，高頻雙極性的高壓脈衝能抑制直流分量，從而有效地減輕患者的肌肉收縮和疼痛感，且療效並無明顯差異。

因此，可靠且緊湊的高頻雙極性脈衝發生器的研製將極大地滿足高壓電脈衝在生物醫學領域的需求。目前高壓脈衝的主要產生方式包括形成線、Marx電路、直線型變壓器驅動源（Linear Transformer Driver, LTD）電路等，且隨著半導體開關技術的發展，全固態脈衝發生器的研發已成為國內外學者研究的重點。

由於形成線脈衝發生器對於脈寬的調節，只能通過改變傳輸線的長度來實現，不利於脈衝寬度的靈活可調。全固態LTD脈衝發生器可以產生較大功率高頻單極脈衝，但由於磁芯磁飽和現象的限制，不能產生較長脈寬的脈衝且存在磁芯損耗，效率較低。雖然固態Marx脈衝發生器可以產生高壓脈衝，其脈衝寬度靈活可調，但國內外現存在的Marx電路輸出多為單極性脈衝。

為此，有學者提出採用兩臺Marx實現正負輸出，或者採用多電平MMC方式實現雙極性輸出。也有學者將Marx電路和傳統的橋式電路相結合來實現雙極性輸出。儘管雙極性Marx的研究較多，但是以上方案仍然有改進的空間，使用雙臺Marx實現雙極性輸出開關和儲能電容數是單極性Marx的兩倍，不利於裝置緊湊化和成本控制。採用多電平MMC方式，輸出電壓等於充電電壓，開關直接串聯承受高壓因此需要大量的均壓電路和大功率直流充電電源。Marx電路加全橋電路，每個單元需要4個開關組成橋臂，且需要增加充電開關。

為滿足脈衝發生器在醫學領域的需求，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網河北省電力有限公司滄州供電分公司、重慶大學電氣工程博士後流動站的研究人員，研製了一種新型的雙極性Marx高重頻脈衝發生器。

它的特點在於每個單元模塊僅僅使用4個開關實現了充電和雙極性的輸出，通過模塊的串聯實現高電壓輸出。在保留Marx升壓和橋式雙極性輸出優點的前提下，減少了開關器件和儲能電容的使用量，利於裝置的緊湊化，有效地控制了裝置成本。

圖1 脈衝發生器實驗系統框圖

圖2 高頻雙極性脈衝發生器實物

根據近年來生物醫療和等離子體產生等應用確定該脈衝發生器的設計參數如下：輸出脈衝幅值為0～±5kV，脈衝為納秒至微秒可調，脈衝寬度為200ns～10μs，輸出脈衝串內頻率最高可達2.5MHz。該脈衝發生器可以應用於細胞組織在納秒和微秒脈衝下不可逆電穿孔的研究以及等離子體在不同參數的脈衝下的產生情況。

研究人員最後得出如下結論：

1）研究一種新型雙極性Marx脈衝發生器的拓撲結構，它的優點在於：結構簡單，雙極性輸出，波形靈活可調，有利於裝置的小型化。

2）目前充電850V六級疊加實驗在200純電阻負載條件下所取得的輸出參數為：脈衝串內頻率為2.5MHz，脈衝寬度為200ns～10s，脈衝幅值為±5kV，上升時間100ns，下降時間80ns，電壓輸出效率為98%。

3）脈衝發生器裝置採用模塊化設計，每個單元為相對獨立的模塊，模塊間實現了自然均壓。因此在絕緣充足的情況下能通過模塊的簡單堆疊實現更高的高壓輸出。

綜上所述，全固態新型雙極性Marx高重頻脈衝發生器結構緊湊，輸出波形靈活可調，脈衝寬度為納秒至微秒可調，可以簡單方便地提高電壓等級，在生物醫療、等離子體產生方面有著良好的應用前景。

以上研究成果發表在2020年第4期《電工技術學報》，論文標題為「一種新型的雙極性Marx高重頻脈衝發生器」，作者為王曉雨、董守龍、馬劍豪、餘亮、姚陳果。